浅谈柴油机排放控制技术

浅谈柴油机排放控制技术摘要：本文针对车用柴油机PM的组成及对人类生活的危害所面临的若干问题，通过对柴油机污染物的生成机理、影响因素等方面的知识，进一步地阐述对柴油机污染物的净化措施等较高问题的本质，优化排放质量，以便使车用柴油机符合环保要求，更进一步的保护我们懒以生存的家园。

关键词：车用柴油机；有害排放物；净化措施1 车用柴油机的排放物1.1 柴油机的排放物及危害柴油机排放的废气中，氮气（N）占75.2%，二氧化碳（CO2）占7.1%，氧气及其他成分占16.88%，有害排放占0.82%。

其中有害排放的主要成分包括：氮氧化合物占35.4%，一氧化碳占35.4%，硫化物及微粒主要是炭烟，还包括油雾、金属颗粒等占20.66%。

与汽油机相比，柴油机排放的CO和HC要少得多，NOx与汽油机在同一数量级，而微粒及炭烟的排放要比汽油机多十几倍甚至更多。

因此柴油机的排放控制，重点是NOx和微粒及炭烟，其次是HC。

柴油机的燃烧过程比较复杂，影响因素较多，由于诸多原因的影响使柴油与空气难以达到完全燃烧的程度，可能会造成局部或整个燃烧空间出现不完全燃烧，所以产生出不完全燃烧产物和燃烧中间产物，这些燃烧产物大部分是有毒的，或者具有强烈的刺激性和致癌作用，造成了对大气环境的污染和对人体的危害，必须加以控制。

（1）一氧化碳，一氧化碳是柴油在空气不足的情况下燃烧的中间产物，在柴油机排气中一般含量较低，当柴油机燃烧局部缺氧时容易产生。

一氧化碳生成量的多少取决于空燃比，由于柴油机空燃比较大，因此一氧化碳排放量不大。

一氧化碳浓度达到一定程度就能引起人体慢性中毒，导致人体组织缺氧，危害中枢神经，引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状，严重时会导致生命危险。

（2）氮氧化物，氮氧化物是在柴油机燃烧高温条件下产生的，其生成取决于燃烧过程中的温度和反应时间的长短。

在直接喷射柴油机中，由于空燃比较大，氧气较为丰富，燃烧温度也高，使氮氧化物的生成量较大。

在间接喷射柴油机中，燃烧首先在极缺氧的涡流室中进行，燃烧温度相对较低，当火焰喷入主燃烧室时，使燃烧在有充足空气中且燃烧温度较低的情况下进行，可避免氮氧化物的生成时机，所以氮氧化物排放量相对较低。

氮氧化物中NO、NOx都具有毒性对人体和环境破坏较大。

人吸入氮氧化物后出现眩晕、无力等，严重时出现窒息。

另外，还会与碳氢化合物一起引起光化学反应，造成更严重的危害。

（3）碳氢化合物，在柴油机排气中碳氢化合物的生成的主要途径为燃料不完全燃烧、缝隙效应、曲轴箱漏气等。

柴油机虽然有较大的空燃比，由于雾化质量很难达到使燃油与空气混合到理想的均匀程度，燃油在喷射时，难以避免地会喷到壁面上，而形成局部过浓混合气，形成局部不完全燃烧。

另外，喷射定时滞后与延迟、负荷与转速的变化、低温启动、怠速运转等情况下都会使未燃碳氢化合物的浓度增加。

排气中的碳氢化合物具有较大毒性，是一种很强的致癌物质。

另外碳氢化合物是引起光化学反应的起因物质，生成的过氧化物对环境的危害很大。

（4）颗粒物，柴油机的排放颗粒物主要是炭粒，其形成的过程也很复杂。

影响炭粒形成的主要因素是高温与贫氧，在过量空气系数很低、油气混合物不均匀而又处于高温下的油滴将被裂解，从而产生大量的炭粒。

在柴油机的燃烧过程中，炭粒的形成除过量空气系数、混合气均匀性和燃烧温度外，还与燃料的成分有较大的关系，如燃料的碳氢比、灰分等都影响炭粒的生成。

炭粒易粘附重碳氧化物及硫酸盐，形成的颗粒物悬浮于空气中，在大气中受和其他物质作用将发生光化学反应，对环境产生危害。

1.2柴油机排放物的生成机理关于柴油机排放物生成机理说法很多，目前尚无定论。

一般认为，碳烟也是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧的情况下裂解过程释出并聚合而成的。

由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室各区域的化学反应条件是不一致的，而且随时间而变化的，所以碳烟很可能是由许多不同途径生成的。

实验观察表明，在预混燃烧阶段，火焰亮度不大，据认为这时尚未产生大量的碳粒；进入扩散型燃烧，火焰亮度大增，而且在各种工况都如此，说明碳粒主要在扩散焰中产生。

柴油机燃烧过程中产生碳粒是难以避免的，它是烃燃料燃烧过程的中间产物。

Brome及Khan根据对火焰的研究资料，对碳烟颗粒的形成的定性描述，认为烃燃料在过浓的高温区中是通过深度裂解和脱氢过程，产生较小分子量的物质，在后期出现聚合反应。

在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合，产生较大分子量物质。

这两个途径（或相互交错）最终产生碳烟颗粒。

B.B Chakraborty和R.Long根据他们的研究和他人的资料，提出了碳烟形成机理。

他们认为在反应过程的后几个阶段生成了一种很不活泼的，难于氧化的具有多个团的聚缩乙炔化合物，由于它有大量的三键，因此聚缩乙炔就易于聚合生成黑色的、在所有溶剂中都不溶解的聚合物。

高温和氢的缺乏进一步导致了聚合物的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的碳烟成分，这种碳络化物构成了具有六方晶格碳烟晶子。

片晶呈平行布置但相互间有不规则的位移。

聚缩乙炔不仅倾向于聚合，在提供相应的氢时，可在较低的温度下（小于1000℃）环化和氢化而形成多环芳香碳氢化合物，碳烟的这两种成分的组合可通过碳络合物吸收多环芳香碳氧化合物来进行，也可能多环芳香碳氧化合物是作为类似于石墨中的杂质那样，填入碳烟片晶层空隙之中了。

1.3影响柴油机排放物生成的主要因素现将影响HC、CO、NOx的生成和消失的主要因素分述如下：１．过量空气系数柴油机中的HC、CO、NOx的生成与过量空气系数ａ变化有关。

当燃烧室及供油系统的结构参数一定时，对于某一ａ值，CO排放浓度最低，偏离这一数值时，CO的排放浓度均要增加。

过量空气系数对直喷式和间喷式柴油机NOx浓度的影响基本一致。

随着ａ的增加，NOx排放浓度明显降低。

在ａ较小的区段，NOx下降速度快；在ａ较大的区段，NOx 下降速度较慢。

NOx排放浓度下降的主要原因是：随着ａ增加，每循环喷油量减少，气缸的放热率和平均燃烧温度降低，因而造成NOx排放浓度降低。

２．喷油定时喷油提前角加大，将影响喷注各区燃料的分布。

由于此时气缸压力、温度低，使着火延迟时间加长，结果使稀熄火区加宽，并使喷到室壁的燃油量增加，喷油提前往往会引起不完全燃烧产物的增加。

３．空气涡流适当增加燃烧室空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少异相燃烧。

同时燃烧室局部区域混合气过浓或过稀的现象减少。

另外，涡流能加速燃烧，使气缸最高燃烧压力和温度提高。

这些有利于未燃烃的氧化。

但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成互相重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加。

４．涡轮增压废气涡轮增压是提高柴油机功率、降低油耗的一项主要措施。

涡轮增压对柴油机排放也有重要影响。

在燃空比相同的情况下，涡轮增压使柴油机的进气压力和整个循环温度比不增压时高，这将有利于氧化反应，减少未燃烃及CO的生成，而且未燃烃在排气管和涡轮中还可以继续氧化，所以排气中HC的降低了。

由于增压后加大了空燃比，则更有利于排气中HC和CO的降低。

由于增压后燃烧温度高，空燃比大，所以导致较高的NOx浓度。

但如果将增压后的空气冷却，降低进气温度，可以使NOx排放降低到非增压时的水平，同时由于进气密度增加，中冷对柴油机烟度和燃烧经济性也有好的影响。

５．燃烧系统分隔式燃烧系统比直喷式燃烧系统的有害排放物低得多，如图2—8所示。

在分隔式燃烧系统中有害排放物是在两个阶段产生的：一是在辅助燃烧室（即涡流室或预燃室）中的燃烧，二是在燃气从辅助燃烧室流出之后在主燃烧室混合和燃烧。

在部分负荷运转期间，随着负荷增加辅助燃烧室中喷入的燃料增多，氧的浓度减少，未燃烃和CO随着负荷增加而增加。

但在主燃室有强烈的燃烧涡流，加速了混合气的形成和燃烧，同时气缸温度较高，加速了氧化速率，因而使HC及CO排放量都较直喷式为低。

2排放物的净化措施2.1减少柴油机排气污染物的控制技术柴油机排气中的有害排放物主要是NOx和微粒，CO和HC的排出量较少，对大气污染不产生严重影响，而且比较容易通过燃烧系统匹配加以解决。

由于柴油机排放的NOx和微粒颗粒的生成条件有相反的倾向，例如为减少NOx排放要降低燃烧温度，但燃烧温度的降低会使油耗增加，功率输出降低，更会造成微粒排放量增加。

因此柴油机在微粒控制技术的开发上必须兼顾对NOx生成量的影响。

同样在研究减少NOx排放率的控制技术之同时也必须兼顾微粒排放量、燃油消耗率及输出功率等问题，如此发展的控制技术才有实用价值。

以下容将介绍减少柴油机排气污染物所采取的一些方法。

2.2 燃烧系统的改进2.2.1 直接喷射式燃烧系统的改迸柴油机的燃烧室型式、形状和结构参数对柴油机的燃烧和污染物的生成具有重要的影响，现代柴油机必须在节油、低污染、高输出功率方面进行综合的优化设计。

在燃烧室的改进上，其基本原则是使燃烧室与进气涡流、喷油合理匹配，以减少污染物的生成。

2.2.2 间接喷射式燃烧系统的改进间接喷射式燃烧室与直接喷射式柴油机相比，因二次燃烧的结果，NOx和碳烟排放量均较直喷式低。

但因燃烧室散热面积大，以及附室喷孔的节流损失，所以热效率低，燃料消耗率高。

以前大多数使用间接喷射式燃烧系统，所以目前相当比例的轿车和轻型货车使用涡流室燃烧系统。

2.3进气系统的改进高速直喷式柴油机除了采用超高喷射压力以外（喷油压力在120~150Mpa以上），大都需要组织进气涡流来改善混合气形成和促进燃烧过程的进行。

涡流比的大小对柴油机性能和排放有很大影响。

因此，必须按照实际情况选择最佳涡流强度与燃烧室及燃烧系统相匹配。

以往设计的螺旋进气道其涡流强度只能在发动机的某个工况运转点才能实现，在大部分工况都不能处在最佳匹配点状态。

为了更有效控制气缸中的涡流强度，1985年五十铃汽车公司研制了可变涡流比控制系统，如图3—5所示。

该机构的工作原理是：在气缸盖进气道中设置了一个副进气道，副进气道入口有一个阀门，该阀门的开启由气动活塞控制。

电子控制装置根据发动机转速、负荷（齿杆位置）、水温传感器发出的信号控制电磁阀电路的接通和关断，即可控制压缩空气。

气动活塞受压缩空气作用决定副进气道口阀的开闭，以控制涡流的强弱。

采用这种装置后，发动机性能有所改善，也可减少排气污染。

2.4燃料喷射系统的改进在改善柴油机的性能和降低HO、NOx及碳烟方面，燃油喷射装置具有重要作用。

采用高压喷射、预喷射、电子控制喷油系统等燃料喷射装置已取得相当满意的效果。

2.4.1 高压喷射系统直喷式柴油机的燃油是依靠本身所具有的动量，在高速流动的过程中油束分裂成微小的油滴并卷入新鲜空气以形成良好的混合气。

高压喷射能使燃油得到大的能量，使雾粒细小，喷雾蒸发速度及混合气形成速度加快，燃油喷射时期缩短，故能提高燃烧性能，缩短燃烧时间，使NOx和碳烟微粒排放量减少，发动机的输出功率增加，油耗降低,喷射压力、喷孔数和气门结构对柴油机NOx和微粒排放的影响。